"Vetro intelligente, " un prodotto per l'efficienza energetica che si trova nei nuovi finestrini delle auto, edifici e aeroplani, cambia lentamente tra trasparente e colorato premendo un interruttore.

"Lentamente" è la parola chiave; il tipico vetro intelligente impiega diversi minuti per raggiungere il suo stato oscurato, e molti cicli tra luce e buio tendono a degradare la qualità della colorazione nel tempo. I chimici della Colorado State University hanno ideato un miglioramento potenzialmente importante sia per la velocità che per la durata del vetro intelligente, fornendo una migliore comprensione di come funziona il vetro su scala nanometrica.

Offrono un design alternativo su nanoscala per il vetro intelligente in una nuova ricerca pubblicata il 3 giugno in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Il progetto è iniziato come un esercizio di scrittura di sovvenzioni per lo studente laureato e primo autore R. Colby Evans, la cui idea - e passione per la chimica dei materiali cangianti - si è trasformata in un esperimento che coinvolgeva due tipi di microscopia e arruolava diversi collaboratori. Evans è consigliato da Justin Sambu, professore a contratto presso il Dipartimento di Chimica, chi è l'autore senior del documento.

Il vetro intelligente studiato da Evans e colleghi è "elettrocromico, " che funziona utilizzando una tensione per guidare gli ioni di litio dentro e fuori dal sottile, pellicole trasparenti di un materiale chiamato ossido di tungsteno. "Puoi pensarla come una batteria attraverso la quale puoi vedere, "Ha detto Evans. I tipici pannelli di vetro intelligente all'ossido di tungsteno impiegano 7-12 minuti per passare da trasparente a colorato.

Le nanoparticelle si colorano più velocemente

I ricercatori hanno studiato specificamente nanoparticelle elettrocromiche di ossido di tungsteno, che sono 100 volte più piccole della larghezza di un capello umano. I loro esperimenti hanno rivelato che singole nanoparticelle, da soli, tinta quattro volte più velocemente dei film delle stesse nanoparticelle. Questo perché le interfacce tra le nanoparticelle intrappolano gli ioni di litio, rallentamento del comportamento colorante. Col tempo, queste trappole ioniche degradano anche le prestazioni del materiale.

Per sostenere le loro affermazioni, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia a trasmissione in campo chiaro per osservare come le nanoparticelle di ossido di tungsteno assorbono e diffondono la luce. Fare il campione "vetro intelligente, " hanno variato la quantità di materiale di nanoparticelle che hanno inserito nei loro campioni e hanno osservato come cambiavano i comportamenti di colorazione man mano che sempre più nanoparticelle entravano in contatto tra loro. Hanno quindi utilizzato la microscopia elettronica a scansione per ottenere immagini a risoluzione più elevata della lunghezza, larghezza e distanza delle nanoparticelle, così potevano dire, Per esempio, quante particelle erano raggruppate insieme, e quanti erano divisi.

Sulla base dei loro risultati sperimentali, gli autori hanno proposto che le prestazioni del vetro intelligente potrebbero essere migliorate realizzando un materiale a base di nanoparticelle con particelle distanziate in modo ottimale, per evitare interfacce di intrappolamento ionico.

Altre applicazioni

La loro tecnica di imaging offre un nuovo metodo per correlare la struttura delle nanoparticelle e le proprietà elettrocromiche; il miglioramento delle prestazioni della finestra intelligente è solo un'applicazione che potrebbe risultare. Il loro approccio potrebbe anche guidare la ricerca applicata nelle batterie, celle a combustibile, condensatori e sensori.

"Grazie al lavoro di Colby, abbiamo sviluppato un nuovo modo per studiare le reazioni chimiche nelle nanoparticelle, e mi aspetto che sfrutteremo questo nuovo strumento per studiare i processi sottostanti in un'ampia gamma di importanti tecnologie energetiche, " ha detto Sambur.